高空风力发电

1、高空风力发电能源和环境是当今人类面临的两大问题.目前，化石燃料是人类生 产、生活的主要能源.随着全球能源使用量的增长及不科学使用，化 石燃料等不可再生能源将日益枯竭，并对环境产生严重影响.不可再 生能源将日趋枯竭.世界各国人民的节能意识也日趋增强，科学家也 在开发新能源、研制节能产品、提高化学能的转化效率等方面，做着 积极的努力.一方面节约能源，提高能源利用率.二是开发“绿色能 源”是解决能源危机的重要途径.例如太阳能、地热能、风能、海洋 能、核能以及生物能等存在于自然界中的能源被称作“可再生能源”. 其中，高空风力发电更是得到很多国家青睐，如果未来能大规模推广， 将会解决目前的资源匮乏问题。

2、风能与风速的立方成正比（p = p v，p -空气密 度，v-风速）一一风速增加1倍，风能增加8倍（标准空气密度为 1.225kg/m，6000米高空中的空气密度约0.644 kg/m，仅减少1倍左 右），因此高空风能可高出地面上的数倍、十数倍、数十倍乃至成百 上千倍。在高空位置达到较为理想的情况下，高空风电的理论发电时间可 以超过95%，年发电时间可高达8200小时以上，小功率的10兆瓦级高 空风力发电系统的年发电时间也在5000小时以上。因此，采集高空风 能发电可以获得高稳定性、低发电成本的风电，这是高空风电的显著 特点之一，也是高空风电相比常规风电的最显著优势之一。高空风能是人类迄今基本

3、上没有开发利用的新能源，这是一种储 量丰裕、分布广泛的可再生清洁能源。斯坦福大学环境和气候科学家 的研究报告指出：高空中蕴藏的风能超过人类社会总需能源的100多 倍。高空风的特点是风速大，分布广，稳定性高，常年不断。早在170多年以前，就有了高空风力发电的概念，更真正引起人 们重视的是在上世纪七十年代，世界上的一次能源是有限的，总有用 尽的一天，从那时开始，科学姐们不断研究二次能源，即可重复利用 的能源，风能、太阳能、核能、潮汐能、地热能都走进了人们的视线。 高空风力发电的也引起了美国科学界的重视，并不断研究，有了大致 的两个研究方向，并一直延续至今。高空风力发电分为两种，一类是利用氦气球等升

4、力作用，将发电机 升到半空中，在高空中利用丰富的风能转化为机械能，机械能转化为 电能，之后通过电缆传到地面电网。该类技术路线的缺陷主要是发电功率受限制，发电机功率增加，重量一般也会增加，升空难度加大；此外，由于系统整体较重，发电 机组很难升到千米以上的高度，同时因为发电系统位于高空无法实现 增压，大功率情况下势必使用大电流输电，所以必须使用直径较粗的 导线。这无疑又加大了整个系统的重量，从而限制了该类技术路线的 公司设备上升高度。气球类技术路径的风电设备升空高度多分布在 300至500米的范围内。这一技术路线的典型代表为Alta eros energies的高空风电系 统“空中浮动涡轮”(BA

5、T)。发电机被装在一个巨大的充氦飞艇里， 上升高度约为300米左右，BAT利用高空的高速风流，发电量比地面 风力发电装置高一倍。另一类技术路径是将发电机组固定在地面，通过巨型“风筝”在空 中利用风能拉动地面发电机组，从而将风能转化为机械能，带动地面 的发电机转化为电能。从而解决电缆和发电机的自重问题。意大利 Kite Gen 的 MARS(Mage n Air Rotor System)系统是该 类技术路线的典型代表。MARS系统主要由高空的拖曳风筝和地面的 发电设备两部分组成。拖曳风筝和地面的风力涡轮机相连，并通过安 装在发电设备上的航空感应器来控制风筝旋转的方向和路径，以最大 限度带动地面

6、涡轮机旋转并发电。该类技术路线的最大难点在于控制发电系统的稳定性。出于空域 利用效率的原因，Kite Gen的高空单元往往采取做“8”字形或圆 周运动来收集风能。对于控制系统而言，要不间断改变风筝的运行轨 迹，除了牵涉到空中坐标(X,Y,Z)，还要改变俯仰角、倾角等共5个坐 标，加之控制缆绳受空中扰流和缆绳自身延展性的影响，地面输出动 作传导到空中单元往往容易“失真”，使得空中单元姿态控制难度很 大。在高空风力发电方面，中国走在了世界前列，那就是广东高高空风能 技术有限公司。广东高空风能技术有限公司采取“风筝式”技术路线， 但系统设计与Kite Gen等公司有明显差异。1、高空风能利用方式舍弃

7、巨型“风筝”，改为伞形结构，降落 伞的圆形对称结构有利于提高系统稳定性。利用高空风能做上下运 动，产生的机械能拉动地面发电机转化为电能。空中系统只需要改变 高度即可，空中控制系统存在自稳定特点，容易控制飞行姿态。系统 做功过程只是上下运动，不会有“乱跑”的问题。简单说，广东高空风能系统是通过降落伞的上下循环往复运动实 现发电。“当伞张开的时候，在风的作用下往上升，升上去的时候做 功，到了一定高度的时候，伞就会收掉。整个过程由伞上的控制器决 定。比如我们设定3000米，他到3000米的时候就收掉，下滑到300米 的时候伞就打开，上升过程中就会发电/张建军介绍。目前，全球高空风电试验项目多集中在3

8、00米至500米的空域，如 谷歌Mak ani Power的风筝发电机可以上升到80-350米的高度，新近 准备放飞的发电机可以飞到450米高空。而广东高空风电系统可以上 升到数千米以上的高空。2、采用伞梯组合形式，机组主要由两部分组成：空中系统和地 面系统。空中系统由多个做功伞、若干平衡伞外加飘空气球组成；地 面系统主要是由发电机、卷扬机（滚筒和反向转动电机）和万向滑轮组 成；伞之间、做功伞与卷扬机之间是通过轻质高强度缆绳连接。风电系统的发电量由当天的风速决定。理论上看，在空中系统的 捕获面积（风筝的大小）一定的情况下，风速越高，功率越大，反之亦 然。这在客观上导致了风电系统功率时大时小，给

9、电网带来了较大压 力。而伞梯组合的特点是能在任意风力环境下实现稳定功率发电。当 风力较低时，空中控制系统在上升阶段将打开全部的做功伞。风力较 大时，则只有部分做功伞被打开，从而实现任何风力环境下的稳定功 率输出。伞梯组合的形式实现了高空风电系统从“能发电”到“稳 定功率发电”的突破。此外，伞梯组合受风面积大：广东高空风电系统利用多个巨型降 落伞收集风能，受风面积大，Kite Gen的风筝式收集风能方式兜风 面积较小，Makni Power以涡轮叶片顶端（类似于直升机螺旋桨）的风 能收集方式兜风面积更小。广东高空风能过去五年来要解决的最大难题就是伞体控制的问 题。伞梯组合型发电系统的难点在于如何

10、实现巨型降落伞的自由开 合。“到目前为止，很多人都不相信我们这么大的伞可以在空中实现 自由开合，我们一个伞是几百平米甚至上千平米的面积，很多人认为 你开了就合不上，合上了就打不开。所以在空中巨大升力的情况下，如何灵活控制伞的开合是一个难 题。”张建军说，控制器是该公司的核心技术。目前控制器相关的技术已经申请计算机软件著作权并获得授权，设备已成功运行。3、系统可模块化和规模化复制：伞梯组合功率扩容相对“风筝 式”更加容易，只需要增加每组伞梯组合中的做功伞数量就可以提高 发电功率，同时可以采取四组到十几组伞梯系统同时牵引地面机组的 配置，规模复制能力强。而谷歌Mak a i Power的“风筝式”

11、风电系 统为提高发电功率，需要进一步增加风力涡轮机的机翼面积以安装更 多的螺旋桨，他们从翼长8.5米到今年增加至25.6米，耗时三年时间。广东高空风能的商业化则走在了所有高空风电公司前面，车载式高空 风能发电系统已完成开发并实现了长时间复杂天气状况下的发电。位 于芜湖的首个地面型电站一2.5兆瓦试验电站（400MW项目的前期试验 机组）项目目前厂房建设、设备安装基本完成，400MW的电站项目规 划也将浮出水面。从近年来的多次实验获得的数据测算，公司高空风电技术商业化 之后度电成本有继续下降的潜力，可以达到远低于0.3元的水平，芜 湖新厂建设好之后，为进一步保证系统的稳定性，公司将自主生产控 制

12、器、降落伞等关键设备。此外，在空域方面，项目所在地的空域已经多次获得军方批准的 使用权，未来将根据项目的运行稳定程度进一步延长时限。低空空域 管理改革自去年以来，有加速迹象，1000米以下低空空域飞行有望全 面放开，制约高空风电发展的因素将进一步消除。虽然发展前景良好，但是短时间是不可能进行商业化推广的，目 前还不够成熟，主要限制高空风力发电有两个主要因素。一是高空风 能收集、转换所需要的耐磨、耐化学腐蚀、抗紫外辐射的轻质高强度 材料难以获得。虽然全球市场上已经能提供上述所需的材料，但材料 的特性却有待进一步检验验证;二是保证空中部分稳定性的控制技术 一直没有突破。目前高空风能发电的主流技术是风筝型发电系统。在 这种系统中，风筝作为风能采集器将高空风能转化为机械能，同时， 风筝